CN107809258A - 一种无线通信接收机的自动增益控制方法和电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种无线通信接收机的自动增益控制方法和电路。无线通信系统使用连续相位调制，射频前端模块为低中频结构，天线接收空中无线信号，混频后的信号同相支路和正交支路经过多相波器后，舍弃同相支路或正交支路中的一路信号；另一路信号经过可编程增益放大器和模数转换器后，输入到数字接收机。数字接收机的自动增益控制方法包括两步。首先，根据单路输入信号饱和检测；其次，根据输入信号绝对值与输入信号功率的关系，计算输入信号的强度以及调整射频通路的增益。与传统的两路输入自动增益控制电路相比，本发明的自动增益控制电路的输入仅为一路信号，省去一路可编程增益放大器、模数转换器以及同相支路和正交之路之间不匹配的补偿电路，从而简化了射频前端模块的设计、面积和功耗。

Description

一种无线通信接收机的自动增益控制方法和电路
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种连续相位调制通信系统的接收机自动增益控制方法和电路。
背景技术
连续相位调制是无线通信系统中常用的一种调制方式。连续相位调制通信系统中，信号的相位是连续的，信号相位的变化反映了无线通信系统所要传输的比特信息。常见的连续相位调制方式包括最小频移键控(MSK)和高斯频移键控(GFSK)等。连续相位调制属于恒包络调制，信号幅度是恒定的。与其它非恒包络的调制方式相比，连续相位调制方式显著地降低了对发射机功率放大器的线性度要求，接收机比较简单。连续相位调制广泛应用于低功耗传输和物联网领域，如蓝牙(Bluetooth)、低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy)等。无线通信系统中，由于发射机和接收机双方距离的变化，接收机接收到的信号强度是不固定的，变化范围可能有90dB。为了有效地利用模数转换器(ADC)的动态范围，要求模数转换器(ADC)的输入信号幅度维持在几个dB的范围内。这要求接收机通过自动增益控制电路检测输入信号的幅度、调整射频通路各模块的增益，将模数转换器(ADC)的输入信号始终维持在几个dB的变化范围内，使得射频前端可以处理较大变化范围的信号，变化范围可以达90dB或以上。传统的自动增益控制电路，同时利用混频器输出的同相支路信号和正交之路信号来计算模数转换器(ADC)输入信号的功率，需要两路的可编程增益放大器(PGA)和两路模数转换器(ADC)。对于连续相位调制信号，系统传输的信息比特包含在信号的相位中，数字接收机可以只用一路信号进行解调，恢复所传输的信息比特；此外，物联网应用对芯片的面积和功耗都有较高的要求，如果数字接收机只有同相之路(I)或正交之路(Q)其中的一路输入信号，射频前端可以省去一路可编程增益放大器和ADC，从而降低芯片面积和功耗。传统的自动增益控制方法不能满足单路输入信号的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种自动增益控制方法和电路，其输入只有一路信号。本发明提供一种计算输入信号功率的方法：根据输入信号的绝对值计算输入信号的功率，根据信号功率计算和调整射频前端各模块的增益。
为了解决上述问题，本发明的自动增益控制电路包括：射频前端模块、饱和检测和增益调整模块、基于绝对值的信号功率检测和增益调整模块；自动增益方法通过两步实现：饱和检测和增益调整、基于绝对值的信号功率检测和增益调整。
射频前端模块为一低中频结构，天线接收来自空中的无线信号，经过各射频模块逐级放大后到达模数转换器(ADC)。射频前端模块主要包括低噪声放大器(LNA)、混频器(MIXER)、多相滤波器(Polyphase Filter)、可编程增益放大器(PGA)等。各射频模块根据自动增益模块输出的增益编码，对输入信号进行放大；初始状态下，各射频模块的增益均设为其可以实现的最大增益。射频信号经过低噪声放大器(LNA)和混频器(MIXER)之后，转变为低中频的同相I和正交Q两路信号，I、Q两路信号经过多相滤波器(Polyphase Filter)之后可以获得期望的低中频信号，并滤除带外的镜像信号和噪声。多相滤波器(PolyphaseFilter)输出的I、Q两路信号，舍弃其中任意一路，剩下的一路信号输入到可编程增益放大器(PGA)，可编程增益放大器(PGA)的输出为模数转换器(ADC)的输入。自动增益控制方法通过两步实现：
第一步：饱和检测和增益调整。饱和检测和增益调整模块跟据模数转换器(ADC)输出信号检测模数转换器(ADC)输入信号是否超过模数转换器(ADC)的动态范围，并且调整射频通路增益。模数转换器(ADC)输出信号的绝对值与一个预先设定阈值进行比较，使用滑动窗机制，如果在预定的窗口长度下，模数转换器(ADC)输出信号的绝对值大于预先设定阈值的次数超过另一个设定的阈值，则调整射频通路增益降低一个设定的增益；否则，进入第二步，根据模数转换器(ADC)输出信号的绝对值计算模数转换器(ADC)输出信号的功率，调整射频通路的增益。
第二步：基于绝对值的信号功率检测和增益调整。基于绝对值的信号功率检测和增益调整模块通过累加模数转换器(ADC)输出信号的绝对值，换算成信号功率，通过与目标值进行比较，得到射频通路的增益。模数转换器(ADC)输出信号的绝对值进入一个滑动窗，计算该滑动窗内所有数据的和，求和的结果转换为模数转换器(ADC)输出信号的功率。比较该输出信号的功率与期望功率的差值，可以得到射频通路增益的调整值。具体过程如下：
不考虑接收端噪声，接收信号在时刻n的采样值可以表示
其中fI为低中频频率，Ts为采样周期，x(n)的绝对值为
其周期近似为fITs/2，设N＝fITs/2为一整数，|x(n)|在一个周期内的求和值为：
信号功率为
那么，射频通路增益的更新值为
gain_update＝P_target-P (5)
从以上描述可以看出，本发明的射频前端模块为低中频结构，混频后的信号同相支路和正交支路经过多相波器后，舍弃其中的一路信号；另一路信号经过可编程增益放大器(PGA)和模数转换器(ADC)，输入到数字接收机；数字接收机的自动增益控制模块(AGC)通过饱和检测模块和绝对值功率检测模块调整射频通路增益；根据单路输入信号的绝对值与输入信号功率的关系，计算输入信号强度益。与传统的两路输入的自动增益控制方法相比，本发明的信号功率计算简单；另外本发明自动增益控制电路的输入仅为一路信号，简化了射频前端模块的设计；省去了一路可编程增益放大器(PGA)、模数转换器(ADC)以及同相支路和正交之路之间不匹配的补偿电路，简化了射频前端模块的面积和功耗。
附图说明
图1所示为单路自动增益控制电路的总体结构图；
图2所示为饱和检测与增益调整模块的结构图；
图3所示为基于绝对值的信号功率检测与增益调整模块的结构图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
射频前端模块为一低中频结构，通过天线接收来自空中的无线信号，经过各射频模块逐级放大后到达模数转换器(ADC)。图1所示为本发明的自动增益控制电路的总体结构图。射频模块主要包括低噪声放大器(LNA)、混频器(MIXER)、多相滤波器(PolyphaseFilter)和可编程增益放大器(PGA)等。低噪声放大器(LNA)、多相滤波器(PolyphaseFilter)和可编程增益放大器(PGA)根据自动增益控制模块输出的增益编码LNA_gain、Filter_gain和PGA_gain，对输入信号进行放大；初始状态下，各射频模块的增益均设置为其可以实现增益的最大值。射频信号经过低噪声放大器(LNA)和混频器(MIXER)之后，转变为低中频的同相I和正交Q两路信号，I、Q两路信号经过多相滤波器(Polyphase Filter)之后可以获得所期望的低中频信号。多相滤波器(Polyphase Filter)输出的I、Q两路信号，舍弃其中任意一路，剩下的一路信号输入到可编程增益放大器(PGA)，可编程增益放大器(PGA)的输出为模数转换器(ADC)的输入；模数转换器(ADC)的输出进入自动增益控制模块(AGC)和解调器(Demodulator)。自动增益控制模块(AGC)包括两个模块：饱和检测与增益调整模块、基于绝对值的信号功率检测与增益调整模块，通过两个步骤来实现：
第一步：饱和检测和增益调整。饱和检测和增益调整模块如图2所示，模数转换器(ADC)输出信号经过求绝对值计算，得到abs(adc_out)。比较该绝对值与一个预先设定阈值agc_thd_1进行比较；如果abs(adc_out)大于等于agc_thd_1，则比较器输出1；否则，比较器输出0。比较器的输出comp_out进入一个使用滑动累加器。滑动累加器的窗口的长度为N＝fITs/2。如果滑动累加器的输出agc_acc_1大于一个预先设定阈值agc_thd_1，则调整射频通路增益(RF_gain)降低一个设定的增益agc_sat_step，RF_gain＝RF_gain-agc_sat_step；否则，进入第二步，根据模数转换器(ADC)输出信号的绝对值与模数转换器(ADC)输出信号功率的关系，调整射频通路的增益。
第二步：基于绝对值的信号功率检测和增益调整。基于绝对值的信号功率检测和增益调整模块通过滑动累加模数转换器(ADC)输出信号的绝对值abs(adc_out)，滑动累加器的窗口的长度为N＝fITs/2。图3所示为基于绝对值的信号功率检测和增益调整模块的结构图。滑动累积器的结果换算成信号功率，通过与目标值进行比较，得到射频通路的增益。模数转换器(ADC)输出信号的绝对值进入一个滑动窗，计算该滑动窗内所有数据的和agc_acc_2，agc_acc_2乘以系数可以得到模数转换器(ADC)输出信号的功率Po。经过对数运算可以得到dB域的功率P＝10lg(Po)。比较信号功率P与期望功率P_target的差值，可以得到射频通路增益的调整值(gain_upgate)，gain_update＝P-P_target。最后，调整射频通路增益RF_gain＝RF_gain+gain_upgate。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种无线通信接收机的自动增益控制电路，其特征在于主要包括射频前端模块、自动增益控制模块(AGC)、模数转换器(ADC)和解调器(Demodulator)，其中，自动增益控制模块(AGC)包括饱和检测和增益调整模块、基于绝对值的信号功率检测和增益调整模块；射频前端模块包括低噪声放大器(LNA)、混频器(MIXER)、多相滤波器(PolyphaseFilter)、可编程增益放大器(PGA)；射频前端模块对接收的射频信号进行逐级放大和混频到低中频，输入给模数转换器(ADC)；自动增益控制模块(AGC)的饱和检测和增益调整模块检测信号的饱和程度并调整各射频模块的增益LNA_gain、Filter_Gain和PGA_Gain；基于绝对值的信号功率检测和增益调整模块根据模数转换器(ADC)输出信号的绝对值计算信号功率并调整各射频模块的增益；
射频前端模块为一低中频结构，天线接收空中的无线信号，经过各射频模块逐级放大后到达模数转换器(ADC)，模数转换器(ADC)的输出作为数字接收机的输入；各射频模块根据数字接收机自动增益控制模块(AGC)输出的增益编码，对输入信号进行放大；初始状态下，各射频模块的增益均设置为其可实现的最大增益；射频信号经过低噪声放大器(LNA)和混频器(MIXER)之后，转变为低中频的同相支路和正交之路两路信号；同相支路和正交之路两路信号经过多相滤波器之后滤除带外的镜像信号和噪声，获得期望的低中频信号；多相滤波器输出同相支路和正交之路两路信号，舍弃其中任意一路，剩下的一路信号经过可编程增益放大器(PGA)和模数转换器(ADC)后输入给数字接收机；数字接收机的自动增益控制模块(AGC)根据单路输入信号饱和检测以及绝对值与输入信号功率的关系，计算输入信号的强度以及调整射频通路的增益；
饱和检测和增益调整模块跟据模数转换器(ADC)输出信号检测模数转换器(ADC)输入信号是否超过模数转换器(ADC)的动态范围，并且调整射频通路增益；模数转换器(ADC)输出信号的绝对值与一个预先设定阈值进行比较，使用滑动窗机制，如果在预定的窗口长度下，模数转换器(ADC)输出信号的绝对值大于预先设定阈值的次数超过另一个设定的阈值，则调整射频通路增益降低一个设定的增益；否则，根据模数转换器(ADC)输出信号的绝对值与模数转换器(ADC)输出信号的功率之间的关系，调整射频通路的增益；
基于绝对值的信号功率检测和增益调整模块通过累加模数转换器(ADC)输出信号的绝对值，换算成信号功率，通过与目标值进行比较，得到射频通路的增益；模数转换器(ADC)输出信号的绝对值进入一个滑动窗，计算该滑动窗内所有数据的和，求和的结果可以转换模数转换器(ADC)输出信号的功率；比较该输出信号的功率与期望功率的差值，可以得到射频通路增益的调整值。
2.一种无线通信接收机的自动增益控制方法，基于权利要求1所述的电路，其特征在于，主要通过如下步骤实现：
第一步，饱和检测和增益调整；饱和检测和增益调整模块跟据模数转换器(ADC)输出信号检测模数转换器(ADC)输入信号是否超过模数转换器(ADC)的动态范围，并且调整射频通路增益；如果在预定的窗口长度下，模数转换器(ADC)输出信号的绝对值大于预先设定阈值的次数超过另一个设定的阈值，则调整射频通路增益降低一个设定的增益；否则，进入第二步；
第二步，基于绝对值的信号功率检测和增益调整；根据模数转换器(ADC)输出信号的绝对值计算模数转换器(ADC)输出信号的功率，调整射频通路的增益。
3.如权利要求2所述的自动增益控制方法，其特征在于，根据所述模数转换器(ADC)输出信号的绝对值与模数转换器(ADC)输出信号的功率之间的关系，调整射频通路的增益，模数转换器(ADC)输出信号的绝对值，输入到一个滑动累加器，滑动累加器的窗口长度可以预先设定；通过累加最近的一个采样数据和减去最远的一个采样数据，获得当前的滑动窗所有数据的和；该求和的结果乘以转换系数可以得到模数转换器(ADC)输出信号的功率；再经过对数运算得到分贝域的功率；计算该功率与预先设定的期望功率的差值，得到射频通路增益调整值。
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